提升機滾筒監測無線傳感器網絡節點能量收集裝置

陳美杉+李瑩+許濤

摘 要：通過檢測滾筒應力場反應提升機的運行狀態，但檢測節點電池壽命短，維護成本高。利用提升機滾筒轉動時與周圍空氣發生相對運動，產生的空氣流動從而轉化成電能，對無線傳感網絡持續供電。分析比較微型風力發電機技術研究：微型渦輪機風力發電機、微型風箱發電機、微型電磁風力發電機和風致振動壓電能量收集裝置，提出實時收集風致振動壓電能量對提升機滾筒的無線檢測網絡節點的持續供電方案。

關鍵詞：風能轉換；能量收集裝置；壓電

引言

礦用提升礦石、煤炭物料、升降人員和設備的主要機械設備就是礦井提升機。但是隨著礦山資源發展方向的不斷深部化和大型化，復雜的地形和多變的現場環境極大增加了斷繩墜落等重大惡性事故的可能性。隨著科技的不斷發展和檢測技術的完善，各種不同類型的煤礦檢測系統相繼被安裝在大中型礦井中，檢測參數主要為井下瓦斯、CO的濃度、風速、粉塵，電壓、電流、風門開閉和重要設備開停工等工況。

相比于有線監測，無線監測即使在復雜的地理位置也可以遠距離監測與測量井下各種環境與設備參數；隨著無線通信技術的進步，可以實現長時間、不間斷并穩定的監測；安裝簡單，節省鋪設線纜的費用，成本低，可靠性高[1]。

中國礦業大學朱真才等人發明了提升機滾筒應力場檢測方法與裝置，能夠適用于深井下工作環境，傳感器靈敏度高以達到對滾筒狀態的監測[2]。無線傳感器節點結構原理如圖1所示。

通過無線傳感器應力場檢測，實時檢測滾筒應力。在旋轉體上布置的節點需采用電池供電，但是由于采樣頻率高，電池頻繁使用更換，維修成本高，雖然采用了低能耗的設備，但系統運行仍然不穩定且續航能力低。因提升機滾筒轉動時，與空氣有一定的相對速度，產生轉動方向的空氣流動。所以考慮將風能轉化成電能，給無線傳感器網絡節點持續供電。

1 風力發電技術

微型風力發電機技術研究[3]有以下四種：微型渦輪機風力發電機、微型風箱發電機、微型電磁風力發電機和風致振動壓電能量收集裝置。

渦輪風力電機，依靠上升力（與風向垂直）和阻力（與風向平行）兩大空氣動力帶動轉子轉動。渦輪葉片直徑越大，捕獲的風能也就越多。但隨著葉片的減小，由于軸承摩擦等因素，其發電效率逐漸降低；風箱發電機，在風速較高時有較大輸出效率，然而當風速小于3.5m/s，輸出功率較小，且有極大的噪聲；電磁風力發電機，放置電機線圈在指定空間中，風力作用下讓電機往復轉動，切割磁感線從而產生交流電，其運行平穩，使用安全[4]，但是在風速較低的情況下，會因為磁鐵的重量而無法發電；風致振動壓電能量收集裝置，利用壓電材料，結構簡單緊湊且安裝方便，無電磁干擾，價格低，對低風速敏感，機電轉化效率高[5]。

對周圍環境中的振動能量和流體能用微型壓電裝置收集是目前國內外的研究熱點，且壓電技術研究集中，發展較快，因此提升機滾筒無線傳感器網絡節點能量收集裝置選風致振動壓電能量收集技術。

2 壓電

2.1 壓電材料

壓電振動能量轉換的核心材料就是壓電材料。目前廣泛應用的壓電材料大致有復合壓電材料、壓電單晶體、壓電陶瓷、壓電高分子聚合物等。

2.2 器件結構

受到機械作用力的情況下壓電結構會產生電荷，影響壓電振子發電能力的最重要因素就是其支撐方式和器件結構。通常壓電振子有四種不同的邊界條件：懸梁壁支撐、剛性夾持支撐、自由支撐和簡支支撐。

因為懸臂梁式壓電振子可產生最大撓度和柔順系數，有較低的諧振頻率，最為常用，所以選擇雙晶片懸臂梁振動模型[6]。

描述風致振動氣動彈性力學問題[7]，則可表示為：

其中Fa是外載荷作用力；？籽是空氣密度，U是特征風速；S是結構的有效面積；Ca是結構無量綱氣動力系統；Q是流場變量；X是結構的運動位移；■是速度；t是時間；Re是雷諾數，且Ca與Q，X，■，t和Re有關。

2.3 振動特性

慣性自由振動式、沖擊自由振動式、強制振動式是壓電振子發電的三種激勵方式。慣性自由振動式發電能力弱，但持續振動時間長，且不需要人為參與便可實現能量轉化；沖擊自由振動式能瞬間產生高壓、大電流；強制振動式可以單獨使用，也可以與其他電器集成一體。施加振幅強度增強，電流強度就強；反之強度減小。

2.4 電路轉化與電能儲存

因為振動發電機所產生的電能為交流電，并且需要儲能電路儲存足夠的電能驅動傳感器節點中的各個電路。圖2所示的整流和儲能電路，采用反饋和前饋聯合控制的電路，可有效提高能量轉換效率[8]。

通過振動發電機所產生的電能要通過整流電路和電能儲存電路才能為傳感器，MCU，射頻電路等供電。振動的數據會通過信號處理電路來濾除噪聲干擾并送給MCU進行處理。

3 懸梁臂振動分析

3.1 壓電模型的建立

根據伯努利-歐拉梁假設，建立壓電雙晶懸臂振動理論模型[9]。直梁在平面內做橫向振動，且各截面中心主慣性軸在平面XOY內，外載荷也作用在該平面。

橫向振動微分方程：

其中？籽是單位體積梁的密度；A是懸臂梁的截面積；y（x，t）是梁上距原點x處截面在t時刻橫向位移；E是材料的彈性模量；q（x，t）是單位長度梁上分布的外力。

3.2 固有頻率和主振型

固有頻率：

位移方程：

本文討論的壓電能量收集裝置是懸臂梁支持，所以其邊界條件為撓度和界面轉角為零；轉矩為零，剪力和質量慣性力平衡。

則懸臂梁主振型[10]

求得各階相應的主振型后，梁的固有振型等于各階主振型的疊加。

3.3 振動產生的電能

壓電片的應力就是懸梁臂表面的應力，則懸臂梁壓電振子的應力可表示為：

正壓電效應：

其中D是電位移；d是壓電常數；？著是介電常數；T是應力；E是電場。

采用正壓電效應，介質內部不存在空間電荷和邊緣電場，則E=0，D3=d31T1

壓電振子產生的電荷為：

其中：

4 結束語

本文針對礦用提升機滾筒無線傳感器網絡節點的能量供給問題，查閱相關風能發電技術，確定壓電振動能量收集裝置，捕獲提升機轉動時周圍環境產生的風能，將其轉化為電能。根據伯努利-歐拉梁假設，建立壓電雙晶懸臂梁的振動理論模型，討論了固有頻率、輸出電壓等理論表達式，推導出振動方程。

參考文獻

[1]魏來.基于有線/無線傳感器網絡協議的礦井監測系統研究[D].上海交通大學，2012.

[2]朱真才，邵興國，周公博，等.提升機滾筒應力場檢測方法與裝置[P].中國專利：CN200810236314.6，2009-04-22.

[3]張新房，徐大平，呂躍剛，等.風力發電技術的發展及若干問題[J].現代電力，2003，20（5）：29-34.

[4]管維亞，吳峰，鞠平.直驅永磁風力電系統仿真與優化控制[J].2014， 42（09）.

[5]劉細平，于仲安，梁建偉.風力發電技術研究與發展[J].微電機，2007，40（4）：76-79.

[6]王后連，張朋，等.滾筒輻板表面風致振動能量收集裝置設計[J].2015， 36（07）.

[7]曹 ，陳仁文.基于風致振動機理的微型壓電風能采集器[J].2016， 38（04）.

[8]秦顯遠，吳迪，劉超.振動能量供電的礦用無線傳感器網絡研究[J].機電元件，2012，06.

[9]張存娥.基于壓電材料的風能轉換裝置理論研究與創新設計[D].西安：西安理工大學，2009.

[10]黃玲花.面對提升機滾筒應力檢測傳感器節點的風致振動壓電能量收集技術[D].徐州：中國礦業大學，2014.